Modélisation hydrodynamique des nappes tertiaires du Médoc ... · Ce rapport final présente l’ensemble de ces travaux. Modélisation hydrodynamique des nappes tertiaires du Médoc

EGID – BORDEAUX 3

Modélisation hydrodynamique des nappes tertiaires du Médoc :

Test des hypothèses géologiques et impacts potentiels sur la ressource

Rapport final d’exécution des travaux

Janvier 2005

UNIVERSITE MICHEL DE MONTAIGNE

EGID - BORDEAUX 3 1, Allée F. DAGUIN

33607 Pessac Cedex FRANCE 05 57 12 10 00 Télécopie 05 57 12 10 01

Modélisation hydrodynamique des nappes tertiaires du Médoc Test des hypothèses géologiques et impacts potentiels sur la ressource

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SOMMAIRE SOMMAIRE..............................................................................................................................2 1. AVANT-PROPOS.................................................................................................................5 2. MODELISATION DES AQUIFERES TERTIAIRES MEDOCAINS – ETAT INITIAL.............7

2.1. Outil de modélisation .............................................................................................7 2.1.1. Discrétisation spatiale du système aquifère multicouche ............................9 2.1.2. Conditions aux limites................................................................................12 2.1.3. Discrétisation temporelle ...........................................................................15 2.1.4. Paramètres hydrodynamiques...................................................................15 2.1.5. Alimentation et prélèvements ....................................................................18 2.1.6. Réseau d’observation ................................................................................22

2.2. Régime permanent - Simulations ........................................................................24 2.3. Régimes transitoires - Simulations ......................................................................28

2.3.1. Chroniques piézométriques .......................................................................29 2.3.2. Comportement aux exutoires oligocènes ..................................................33 2.3.3. Fonctionnement quantitatif du système .....................................................34

3. MISE A JOUR GEOLOGIQUE ET HYDROGEOLOGIQUE ...............................................37

3.1. Les nouvelles données géologiques et hydrogéologiques ..................................37 3.2. Mise à jour du modèle numérique nord-médocain ..............................................47 3.3. Régime transitoire - Simulations..........................................................................50 3.4. Exploitation projetée de l’aquifère oligocène .......................................................54 3.5. Exploitation à long terme du champ captant – Simulations .................................55

4. APPROCHE DE MODELISATION SEMI-ANALYTIQUE ...................................................60

4.1. Mise en œuvre du modèle ...................................................................................60 4.2. Découpage spatial du domaine d’étude ..............................................................60 4.3. Calage en régime transitoire................................................................................62 4.4. Simulation d’exploitation ......................................................................................65

5. APPROCHE D’AIDE A LA DECISION ...............................................................................73

5.1. Objectif et méthodologie ......................................................................................73 5.2. MRU et modèle de gestion ..................................................................................74 5.3. Application à des scénarii de gestion ..................................................................80

5.3.1. Scénario 1 : Maximisation de la production d’un champ captant...............80 5.3.2. Scénario 2 : gestion globale d’un système aquifère multicouche ..............84

6. CONCLUSIONS .................................................................................................................89


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LISTE DES FIGURES Figure 1 :Localisation de la zone d’étude et du modèle cadre .................................................7

Figure 2: Discrétisation du domaine d’étude et toit des formations aquifères........................11

Figure 3 : Surfaces d’affleurement des aquifères restituées dans le modèle.........................12

Figure 4 : Pluies efficaces calculées pour une RFU de 100 et 150 mm (données Météo-

France) ................................................................................................................18

Figure 5 : Volumes annuels cumulés prélevés par couche modélisée ..................................20

Figure 6 : Volumes annuels prélevés par maille de calcul pour l’année 1996 .......................21

Figure 7 : Localisation des piézomètres de contrôle ..............................................................23

Figure 8: Cartes piézométriques calculées en régime permanent (données de 1981)..........25

Figure 9 : Chroniques piézométriques mesurées et calculées – Aquifère miocène...............30

Figure 10 : Chroniques piézométriques mesurées et calculées – Aquifère oligocène...........30

Figure 11 : Chroniques piézométriques mesurées et calculées – Aquifère éocène ..............31

Figure 12 : Chronique piézométrique simulée au piézomètre 08523X0092 (Eocène)...........32

Figure 13 : Débits simulés aux sources oligocènes ...............................................................33

Figure 14 : Bilan inter-annuel du système calculé sur la période 1981-1999.........................36

Figure 15 : Implantation des forages de reconnaissance et profils de sismique réflexion haute

résolution .............................................................................................................38

Figure 16 : Synthèse géologique de l’aquifère oligocène médocain ......................................40

Figure 17: Evolution des courbes dérivées mesurées et simulées – Modèles variables .......44

Figure 18: Evolution des pressions mesurées et simulées – Modèles variables ...................45

Figure 19: Variogrammes régionaux calculés pour l’ensemble des aquifères tertiaires (cote

du toit de l’aquifère) .............................................................................................48

Figure 20: Mise à jour du modèle numérique médocain ........................................................50

Figure 21: Hauteurs piézométriques calculées pour l’année 1996 sur la zone modifiée .......51

Figure 22 : Hauteurs piézométriques simulées au puits 08026X0034 ...................................53

Figure 23 : Hypothèse préliminaire pour un champ captant (d’après BRGM, 1999)..............54

Figure 24 : Rabattements calculés après 1 année d’exploitation...........................................56

Figure 25: Rabattements calculés après 10 années d’exploitation ........................................57

Figure 26 : Maillages de Voronoi retenus pour le champ médocain ......................................63

Figure 27 : Rabattements mesurés et simulés pour l’essai d’interférence de longue durée..64

Figure 28 : Proposition d’une nouvelle localisation de champ captant oligocène (champ

captant oligocène sud).........................................................................................68

Figure 29 : Situation des points de stress et des points d’observation ..................................78

Figure 30 : Hauteurs piézométriques calculées et observées pour l’année 1981..................79


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Figure 31 : Cartes piézométriques de l’aquifère Eocène – Impact du processus d’optimisation

global ...................................................................................................................86

Figure 32 : Distribution des débits optimisés par rapport au scénario tendanciel ..................88

LISTE DES TABLEAUX Tableau 1: Paramètres de discrétisation du domaine d’étude ...............................................10

Tableau 2 : Répartition des conditions imposées selon les couches aquifères .....................14

Tableau 3 : Distribution du champ de perméabilité (nombre de cellules) ..............................17

Tableau 4 : Bilan des entrées et sorties en régime permanent influencé ..............................28

Tableau 5 : Forages de reconnaissance réalisés...................................................................38

Tableau 6 : Caractéristiques des essais de pompage ...........................................................42

Tableau 7 : Paramètres calculés - Modèles variables............................................................46

Tableau 8 : Rabattements résiduels calculés sur les forages AEP existants.........................66

Tableau 9 : Rabattements calculés au droit du champ captant .............................................67

Tableau 10 : Rabattements résiduels calculés aux forages AEP existants pour le champ

captant oligocène sud..........................................................................................69

Tableau 11 : Rabattements calculés au droit du champ captant sud.....................................70

Tableau 12 : Débits optimisés pour le champ captant oligocène ...........................................82

Tableau 13 : Influences calculées au droit et à proximité du champ captant – débits

optimisés..............................................................................................................83


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1. AVANT-PROPOS

Le Schéma d’Aménagement et de Gestion des Eaux (SAGE) de la Gironde, achevé

en 1996, prévoit la mise en œuvre d’une politique de réduction des prélèvements

issus de la nappe de l’Eocène. Dans l’optique du SAGE Nappes Profondes, en fin

d’élaboration et qui souligne également la nécessité de diminuer l’exploitation de la

nappe de l’Eocène en Médoc, un programme de recherche a été initié par le

Syndicat Mixte d’Etude et de Gestion de la Ressource en Eau de la Gironde

(SMEGREG).

Un premier programme de reconnaissance géologique et hydrogéologique a été

confié par convention en 2001 et 2002 à l’Institut EGID-Bordeaux 3 afin de préciser

et quantifier les ressources en eau souterraine exploitables des aquifères tertiaires

du Médoc, pouvant se substituer aux ressources actuelles utilisées pour

l’alimentation en eau potable ou le cas échéant les compléter.

La mise à jour des connaissances géologiques et hydrogéologiques de la zone

médocaine a notamment conduit à la mise en évidence d’un compartimentage de la

ressource oligocène. L’intégration de ces éléments nouveaux dans le schéma

géologique et hydrogéologique régional amène vraisemblablement à proposer un

nouveau fonctionnement hydraulique du réservoir oligocène et des aquifères

associés. Il convient également de s’intérroger sur la prise en compte de ces

nouveaux éléments dans les outils de gestion quantitative de ces aquifères, en

particulier le modèle mathématique régional. En effet, l’influence de telles structures

est a priori difficilement quantifiable mais pourrait être non négligeable dans l’optique

d’une exploitation importante de l’aquifère oligocène pour l’alimentation en eau

potable. Il est donc nécessaire d’estimer l’impact potentiel de ce nouveau contexte

structural sur les différents scénarii envisagés dans le programme de substitution à

l’exploitation de la nappe éocène, tels que définis par le schéma directeur de gestion

des ressources en eau de la Gironde, achevé en 1996.

La démarche employée pour répondre à cette problématique sera la suivante. Deux

modèles hydrodynamiques intégrant les trois nappes tertiaires seront réalisés selon

d’une part les hypothèses de continuité hydrogéologique retenues dans le modèle

nord-aquitain du BRGM, et d’autre part selon les nouvelles données géologiques et


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hydrogéologique obtenues lors des dernières campagnes d’acquisition. L’influence

de ces modifications sur la programme prévisionnel d’exploitation de la nappe de

l’oligocène et notamment la mise en œuvre d’un nouveau champ captant pourra de

cette manière être appréhendée.

Ce volet de quantification a également fait l’objet d’une double approche de

modélisation avec la mise en œuvre d’un modèle semi-analytique, apte à rendre

compte de systèmes hydrauliques complexes. A ce titre, cette approche multi-échelle

constitue un complément d’information important pour le développement de projet

de gestion.

C’est également dans un soucis de gestion à plus grande échelle qu’un outil

d’optimisation a été développé et appliqué au système multicouche tertiaire,

permettant de tester et d’optimiser un scénario de substitution prévu par le SAGE

Nappes Profondes

Ce rapport final présente l’ensemble de ces travaux.


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2. MODELISATION DES AQUIFERES TERTIAIRES MEDOCAINS – ETAT INITIAL 2.1. Outil de modélisation La représentation du système aquifère tertiaire ne peut être envisagée que par un

modèle multicouche, composé d’un empilement d’horizons présentant des

caractéristiques hydrodynamiques différentes. La structure, l’agencement et l’organisation du système multicouche fait que l’élaboration d’un modèle uniquement

limité à la zone médocaine n’est pas envisageable. Le développement d’un modèle

« cadre » a donc été entrepris afin d’y inclure la zone étudiée. Ce modèle cadre a été

élaboré à partir de l’ensemble des données disponibles, pour reproduire au mieux

l’interconnection de la zone Médoc au sein du complexe global (Figure 1).

Figure 1 :Localisation de la zone d’étude et du modèle cadre

L’extension globale du modèle cadre est de 31080 km2. La disposition et

l’agencement vertical des différents aquifères ont été reproduits. Ainsi, tel qu’il a été

défini précédemment, le système hydrogéologique a été décomposé en 5 unités

aquifères, qui sont en succession normale :


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• l’aquifère plio-quaternaire ;

• l’aquifère miocène ;

• l’aquifère oligocène ;

• l’aquifère éocène ;

• l’aquifère crétacé.

Ces unités sont séparées par des unités semi-perméables ou imperméables, qui

assurent le confinement des aquifères profonds.

Le modèle construit est basé sur le code de calcul MODFLOW 2000 (« Modular

Three-Dimensionnal Finite-Difference Ground-Water Flow Model ») développé par

l’United States Geological Survey 1 sous interface Visual Modflow®.

L’équation générale aux dérivées partielles utilisée dans le code MODFLOW pour

résoudre l’écoulement transitoire au sein d’un aquifère tri-dimensionnel, poreux,

captif, hétérogène et anisotrope est la suivante :

xx yy zz Sh h h hK K K R S

x x y y z z t ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ + + + = ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂

[1]

avec h potentiel hydraulique [L] ; K tenseur de conductivité hydraulique [L.T-1] ;

SS coefficient d’emmagasinement spécifique [L-1] ;

R terme puits/source (flux unitaires entrants et sortants de

l’aquifère) [T-1] ;

t temps [T].

La résolution de l’équation générale de l’écoulement [1] est effectuée sur un maillage

tridimensionnel par la méthode des différences finies, en utilisant les conditions aux

limites du système. Ces conditions limites correspondent à des données

hydrogéologiques réelles traduites numériquement. On distingue principalement

deux familles de conditions limites :

• condition de Dirichlet : la charge hydraulique sur la limite est

indépendante des conditions de circulation dans l’aquifère ;

• condition de Neumann : le flux transitant à travers la limite est connu.

1 HARBAUGH et al., 2000 : MODFLOW-2000, the U.S. Geological Survey Modular Ground-Water Model-User guide to modularization concepts and the ground-water flow process, Open-File report 00-92, 121 p.


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Parmi les grandeurs utilisées dans ce modèle, on peut distinguer :

• les variables d’entrées et les variables de sortie ;

• les paramètres de l’aquifère correspondant aux transmissivités et

coefficients d’emmagasinement.

Les variables d’entrées correspondent aux différentes conditions aux limites,

présentées précédemment et aux termes puits/sources. Les variables de sorties sont

les hauteurs piézométriques h calculées. Les grandeurs au sein d'un élément de

discrétisation sont supposées constantes (transmissivité, emmagasinement) ou

uniformément réparties (pompage).

La géométrie est représentée explicitement, en intégrant pour chaque couche le toit

et le mur de la formation considérée. De cette manière, un soin particulier a pu être

apporté à la représentation du système hydrogéologique nord-aquitain, le contrôle de

la géométrie étant direct au sein du modèle.

2.1.1. Discrétisation spatiale du système aquifère multicouche

La discrétisation spatiale du domaine constitue l’étape permettant de prendre en

compte la géométrie et les limites du système dans le modèle d’écoulement. Le choix

des solutions a été guidé par une prise en compte des limites physiques des

différents aquifères, chaque fois que cela était possible.

Le maillage couvre la zone totale du modèle cadre, soit une superficie de 31080 km2.

Le modèle comprend 279720 mailles carrées de 1 km de coté (185 colonnes par 168

lignes réparties reportées sur 5 couches aquifères et 4 épontes). Toutefois, les

mailles situées à l’extérieur des zones d’extension de chaque horizon ont été

inactivées pour précisément restituer la superficie de chaque niveau. Les

caractéristiques du maillage pour chaque couche sont données dans le Tableau 1.

La topographie a été digitalisée sur la totalité de la zone d’étude à partir des cartes

IGN au 1/25000, puis rééchantillonnée selon le maillage du modèle, afin de disposer

d’un référentiel topographique le plus fidèle possible.


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Couche du modèle Nombre de cellules actives Occupation de la couche (%)

Aquifère plio-quaternaire 7567 24,3

Eponte 9093 29,3

Aquifère miocène 9093 29,3

Eponte 10797 34,7

Aquifère oligocène 10797 34,7

Eponte 14572 46,9

Aquifère éocène 20179 64,9

Eponte 18145 58,4

Aquifère crétacé 16042 51,6

Tableau 1: Paramètres de discrétisation du domaine d’étude

La géométrie des aquifères a été reconstruite à partir des informations brutes

disponibles (coupes des forages) mais également à partir de la géométrie du modèle

hydrodynamique régional existant développé par le BRGM. Pour chaque couche

(aquifère ou éponte), le toit et le mur ont été traités par analyse géostatistique et

interpolés afin d’implémenter directement la géométrie au sein du modèle (Figure 2).

Les zones d’affleurement ont été prises en compte comme contraintes

supplémentaires, tout comme les zones de lacune (Figure 3). La transcription de ces

zones dans un modèle multicouche en différences finies implique cependant de

travailler avec une géométrie locale équivalente. En effet, dans le cas d’un

biseautage des couches et d’une venue à la surface d’une couche plus profonde, le

formalisme de discrétisation utilisé dans MODFLOW nécessite de prendre en compte

toutes les couches lors de la construction de la géométrie. Deux solutions pratiques

pour simuler une zone d’affleurement sont soit d’affecter à toutes les couches sur-

incombantes, normalement absentes, une épaisseur minimale virtuelle puis de les

désactiver, soit de leur affecter des paramètres hydrauliques équivalents à ceux de la

couche affleurante, en fonction des relations existant avec la surface.


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Figure 2: Discrétisation du domaine d’étude et toit des formations aquifères.


12

Figure 3 : Surfaces d’affleurement des aquifères restituées dans le modèle

2.1.2. Conditions aux limites

La synthèse hydrogéologique régionale a permis de déterminer la nature des limites

des différents aquifères, leurs particularités et de les intégrer au sein du modèle. La

structure modulaire du code de calcul MODFLOW permet de choisir entre plusieurs

types de limites et conditions imposées. Nous en avons retenu trois types :

• Potentiel imposé : ce type de limite se traduit par une valeur

piézométrique de la nappe fixée par l’utilisateur. Quels que soient les

paramètres utilisés et quelles que soient les sollicitations imposées

(pompage, infiltration,…), ce potentiel ne change pas ;

• Limite à flux nul ;

• Limite de drainage : ce module permet d’imposer une cote de

débordement et de simuler, si nécessaire, l’évacuation de l’eau si la

charge calculée est supérieure à la cote imposée.

D’une manière générale, l’Océan Atlantique est représenté comme une zone

d’exutoire pour tous les aquifères. L’océan a donc été considéré comme une limite à

potentiel imposé, dont la valeur a été fixée à 0 m NG. Pour l’aquifère plio-quaternaire,


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cette limite a été imposée depuis la côte littorale en direction de l’ouest, ce qui

explique le nombre important de mailles à charge constante dans cette couche

(Tableau 2). Pour les aquifères profonds, la distribution des potentiels imposés a été

déportée vers l’ouest pour minimiser l’impact de ceux-ci sur les mailles de calcul

situées au droit du littoral. Ce choix paraît d’autant plus justifié par l’existence de

zones d’exutoires diffus immergés. Des potentiels imposés ont également été utilisés

pour simuler l’influence des lacs médocains sur l’aquifère plio-quaternaire. Les

valeurs prises en compte correspondent aux altitudes moyennes des plans d’eau.

Les rôles de zones d’exutoires tenus par la Garonne et la Gironde pour les aquifères

oligocène et éocène ont également été simulés par des potentiels imposés. Ici

encore, l’altitude moyenne des plans d’eau au sein de la maille a servi de valeur

guide. Dans le cas des relations entre la nappe de l’Eocène et l’estuaire, l’utilisation

du module d’échange nappe/rivière aurait été préférable, afin de préciser les débits

d’échanges. Toutefois, les paramètres d’utilisation de ce module nécessitent une

connaissance détaillée de la morphologie du lit de l’estuaire et des propriétés

hydrodynamiques des terrains qui le composent. Ces données restent trop

disparates actuellement. Des potentiels imposés ont également été utilisés pour

simuler la piézométrie de la nappe crétacée. Cette solution a été retenue étant donné

les informations fragmentaires concernant cet aquifère. De plus, l’examen des

courbes piézométriques a montré que l’influence de ce dernier sur les aquifères

tertiaires dans la zone médocaine est a priori faible. Toutefois, une vérification

détaillée des flux transitant à travers cette couche et la couche éocène sera

effectuée pour s’assurer que le biais introduit par ce choix de représentation reste

minime.

Couche du modèle Maille à potentiel imposé Maille à condition de Drain Maille à flux nul

Aquifère plio-quaternaire 1321 537 306

Aquifère miocène 130 27 365

Aquifère oligocène 171 3 349

Aquifère éocène 340 - 568

Aquifère crétacé 835 - 517


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Tableau 2 : Répartition des conditions imposées selon les couches aquifères

Les autres limites correspondent pour l’ensemble des aquifères à des limites à flux

nul. L’intégration des limites physiques des aquifères, notamment les limites de

dépôts, justifie ce choix. Le nombre de mailles à flux nul est alors fonction du linéaire

de la limite de dépôt (Tableau 2). La limite sud, qui ne correspond pas à une limite

physique à proprement parler, a également été choisie à flux nul. En effet, l’examen

des données piézométriques disponibles pour chaque aquifère montre que le tracé

proposé des courbes piézométriques est sub-perpendiculaire à un axe est-ouest. On

peut penser dans cette représentation que les flux en provenance du sud sont

faibles. L’estimation de ces flux entrants reste difficile, étant donné l’incertitude

existant sur le tracé de ces courbes piézométriques. L’utilisation d’une limite à flux

nul permet de ne pas introduire de biais a priori, et de vérifier de manière heuristique

cette hypothèse.

Le module de drainage a été utilisé pour simuler les relations entre les aquifères et le

réseau hydrographique. Ce module nécessite pour chaque maille une altitude de

référence qui permet d’imposer une cote de débordement et de simuler le drainage

de la cellule. Ces altitudes ont été calculées à partir des cotes sol des cours d’eau et

des altitudes moyennes affectées à chaque maille. Le choix de la représentation de

ces limites par ce type de condition est justifié par la présence d’un réseau ramifié de

cours d’eaux et de crastes, qui drainent les formations plio-quaternaires qu’ils

traversent. C’est également le cas pour l’aquifère miocène, qui peut affleurer dans le

lit de certains cours d’eau (Ciron) mais de manière très locale. S’il était utopique de

représenter la totalité du réseau hydrographique drainant l’aquifère plio-quaternaire

étant donné la complexité du chevelu, les tronçons principaux des cours d’eau ont

toutefois été pris en compte.

Les conditions de drain ont également été utilisées pour simuler les sources. Dans ce

cas, c’est la cote de la source qui correspond à la cote de débordement. Les sources

de Thil-Gamarde et Budos ont été retranscrites de cette façon. Il faut préciser que les

débits de fuite ainsi simulés peuvent s’écarter notablement des débits réels mesurés,

lesquels sont souvent augmentés à partir d’aménagements d’exploitation (galeries

drainantes, forages,…).


15

2.1.3. Discrétisation temporelle

Tout comme la discrétisation spatiale, la discrétisation temporelle du modèle est

nécessaire pour la résolution numérique de l’équation d’écoulement en régime

transitoire.

Pour simuler le régime transitoire avec MODFLOW, le temps de simulation doit être

divisé en périodes de contraintes (« stress period ») durant lesquelles pour notre

modèle toutes les conditions sont considérées constantes. Le régime transitoire est

construit à partir d’une succession d’états pseudo-permanents.

Nous disposons d’une chronique de données (piézométrie, précipitations,

prélèvements) pour la période de 1981 à 1999. Le premier choix est de découper la

durée totale de simulation en périodes représentatives des périodes de hautes eaux

et basses eaux. L’adaptation des pas de calcul sur les « saisons » du cycle

hydrogéologique est la meilleure solution pour retranscrire les différents états de la

nappe. Ce choix nécessite cependant la prise en compte des variations saisonnières

de soutirage aux forages. Seuls les volumes soutirés annuels sont connus pour la

majorité des ouvrages. Cette constatation est problématique dans certaines zones où

il existe une majorité de forages agricoles, lesquels pompent préférentiellement

durant la période climatique de basses eaux et pour lesquels l’utilisation de débits

moyens estimés à partir des volumes annuels n’est pas possible. La restitution des

fluctuations temporelles des nappes par simulation pourrait ainsi ne pas être

cohérente avec l’observation. Afin de résoudre ce problème d’échantillonnage, un

pas de discrétisation temporel annuel a été retenu. Les phénomènes observés de

période inférieure à l’année ne pourront être pris en compte ou restitués.

2.1.4. Paramètres hydrodynamiques

Les différents aquifères ont été considérés comme isotropes. Les valeurs de

perméabilité des nappes captives ont été obtenues à partir des informations

existantes pour chaque aquifère. Dans un premier temps, les champs de

perméabilité du modèle régional développé par le BRGM ont été utilisés. Ces valeurs

de perméabilité ont été ajustées durant les phases de calage en régime permanent


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et transitoire, en respectant l’ordre de grandeur. Les valeurs de perméabilité pour la

couche miocène sont comprises entre 1.10-6 et 5.10-3 m.s-1. La distribution bimodale,

centrée respectivement sur 1.10-5 et 1.10-4 m.s-1 (Tableau 3), est caractéristique des deux faciès principaux de l’aquifère miocène, calcaire gréseux et faluns. Les zones

de perméabilités maximales sont localisées aux zones d’exutoire de la nappe et aux

parties subaffleurantes, notamment dans les cours d’eaux (Jalle de Saint Médard),

où des paramètres transmissifs élevés sont nécessaires pour pouvoir restituer

correctement les flux. La distribution des valeurs de perméabilité de la couche

oligocène présente un caractère bimodal moins marqué. S’échelonnant sur une

gamme comprise entre 1.10-6 et 5.10-3 m.s-1, les perméabilités sont centrées sur 10-5

m.s-1 et dans une moindre mesure sur 10-4 m.s-1 (Tableau 3). Ces valeurs correspondent à des valeurs classiques pour des calcaires fissurés présentant

parfois des intercalations argileuses, pour les valeurs les plus basses. La bordure est

de l’aquifère oligocène est caractérisée par les valeurs maximales de perméabilité.

Cette aire correspond à la zone où la nappe semi-captive est sise dans des calcaires

très fracturés et ouverts. La couche éocène est aussi caractérisée par une

distribution bimodale de perméabilités centrée sur 1.10-5 et 1.10-4 m.s-1 (Tableau 3).

Ces deux valeurs correspondent aux faciès sableux et calcaires de l’aquifère.

L’aquifère éocène, constitué de plusieurs horizons aquifères interconnectés, est ici

modélisé avec une seule couche. Les perméabilités utilisées correspondent donc à

des perméabilités équivalentes. Etant donné une épaisseur généralement plus

importante des faciès calcaires, il est logique de retrouver un déplacement des

valeurs de perméabilité vers le « pôle calcaire ». Les valeurs maximales (de 5.10-4 à

5.10-3 m.s-1) sont observées pour les zones d’affleurement à l’est constituées par les

formations des « Sables du Périgord » et traduisant les aires de mise charge de

l’aquifère éocène.

Les valeurs de perméabilités mesurées pour l’aquifère plio-quaternaire sont peu

nombreuses. Ces valeurs sont comprises entre 1.10-5 et 5.10-3 m.s-12. Sa structure

argilo-sableuse lenticulaire complexe rend difficile une régionalisation de ces rares

mesures. L’affectation des valeurs de perméabilité dans le modèle s’est donc

essentiellement réalisée par essais durant le calage, en respectant la plage de

valeurs observées. La valeur centrale de la distribution utilisée est de 1.10-3 m.s-1

2 COTTINET, 1974 : Contribution à l'étude des fluctuations de la nappe du massif forestier landais,. Thèse Bordeaux 1, 93 p.


17

(Tableau 3), caractéristique du caractère sableux des formations considérées. La

queue de distribution, s’étendant vers 1.10-5 m.s-1, correspond à l’augmentation de la

fraction argileuse dans les faciès aquifères.

Plage de perméabilités affectée (m.s-1)

Couche aquifère plio-quaternaire

Couche aquifère miocène

Couche aquifère oligocène

Couche aquifère éocène

1.10-3


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yield »), c’est à dire le volume d’eau récupérable par écoulement gravitaire. Les rares

valeurs de ce paramètre pour cet aquifère sont généralement comprises entre 5 et

20 %4. Une valeur de 10 % a été retenue et appliquée à l’ensemble de la couche

plio-quaternaire.

2.1.5. Alimentation et prélèvements

L’alimentation et les prélèvements constituent les composantes du terme

puits/source de l’équation générale de l’écoulement (Eq. II. 1).

La pluie efficace a été calculée à partir des chroniques de pluviométrie et des

données d’évapotranspiration fournies par Météo-France. Ces calculs sont réalisés

pour une réserve utile (RFU) donnée, classiquement égale à 100 mm ou 150 mm

(Figure 4). Ces valeurs de pluie efficace sont ensuite appliquées uniformément sur

les zones d’affleurement identifiées comme des aires potentielles d’alimentation et de

mise en charge.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

Hau

teur

d'e

au (m

m)

Précipitation

Peff (RU=100mm)

Peff (RU=150mm)

Figure 4 : Pluies efficaces calculées pour une RFU de 100 et 150 mm (données

Météo-France) Il s’est avéré au vu des premiers résultats de simulation qu’une valeur homogène de

pluie efficace appliquée uniformément n’était pas satisfaisante. Un coefficient

correctif inférieur compris entre 0 et 1 a été appliqué. Ce coefficient est censé rendre

4 JEHL, 1967 : Etude hydrogéologique de la nappe phréatique de la bordure orientale du Haut-Médoc entre Ste-Hélène et la Garonne, Thèse 3ème Cycle Bordeaux, 76 p.


19

compte de la part de superficies participant réellement à la recharge. Les valeurs ont

été obtenues par dichotomie, à partir des informations lithologiques des formations

affleurantes. Pratiquement, ce coefficient est élevé (0,37 à 0,62) pour les formations

plio-quaternaires qui présentent des caractéristiques hydrauliques et géographiques

homogènes, et plus faible (0,1) pour les formations éocènes qui sont très réduites à

l’affleurement et généralement sub-affleurantes sous un recouvrement qui va limiter

le flux entrant dans l’aquifère. Une fois ces coefficients déterminés en régime

permanent, ils ont été conservés in extenso pour l’ensemble des simulations en

régime transitoire, attendu que les phénomènes physiques censés être intégrés dans

ce paramètre sont indépendants du temps, tout du moins à l’échelle considérée.

L’ensemble des forages recensés en 1999 a été implémenté au sein du modèle.

Pour chaque ouvrage, les chroniques de volumes extraits annuels ont été

renseignées sur la période de 1981 à 1999. Il faut cependant souligner la disparité

de l’information disponible entre par exemple la couche éocène, qui dispose d’un

suivi régulier depuis plusieurs années et la couche miocène, dont les volumes

annuels prélevés souffrent vraisemblablement d’une méconnaissance et d’une sous-

estimation importante.

Si chaque forage est identifié de manière explicite au sein du modèle, les

prélèvements sont globalisés au sein de chaque maille. La distribution globale est la

suivante :

• 662 points de prélèvements pour la couche miocène, répartis sur

378 mailles de calcul ;

• 660 points de prélèvements pour la couche oligocène, répartis sur

385 mailles de calcul ;

• 581 points de prélèvements pour la couche miocène, répartis sur

430 mailles de calcul.

A titre d’exemple, la Figure 6 présente la répartition des volumes prélevés par maille

de calcul pour l’année 1996. Le volume total soutiré connu pour cette année est de

123.106 m3, dont 19.106 m3 à l’aquifère miocène, 42.106 m3 à l’aquifère oligocène et

62.106 m3 à l’aquifère éocène. Ces volumes n’englobent pas les volumes annuels

extraits des sources. Un bilan complet pour la couche oligocène nécessiterait la prise


20

en compte, pour 1996, de 15.106 m3 supplémentaires, fournis par les sources de

Thil-Gamarde et Fontbannes. Les sources étant simulées par une cote de

débordement, ces volumes ne rentrent pas dans le calcul du terme puits/source.

La chronique des volumes prélevés pour la période 1981 – 1999 souligne une légère

croissance (Figure 5) dont l’amplitude reste toutefois masquée par l’augmentation de

la connaissance des volumes prélevés à la couche miocène.

0.00E+00

2.00E+07

4.00E+07

6.00E+07

8.00E+07

1.00E+08

1.20E+08

1.40E+08

1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999

Volu

me

prél

evé

cum

ulé

(m3 )

Couche éocène

Couche oligocène

Couche miocène

Figure 5 : Volumes annuels cumulés prélevés par couche modélisée


21

Figure 6 : Volumes annuels prélevés par maille de calcul pour l’année 1996


22

2.1.6. Réseau d’observation Les chroniques d’observations utilisées pour les phases de calage et de validation

ont été obtenues à partir des données des différents réseaux de surveillance des

nappes, par le biais du Réseau National des Données sur l’Eau (RNDE). L’outil

ADES (Accès aux Données sur les Eaux Souterraines), mis en place par le RNDE,

permet à l’utilisateur de disposer d’une large gamme de données actualisées

quantitatives et qualitatives sur les eaux souterraines. 116 piézomètres de contrôle

ont pu être intégrés au modèle à partir de cette base. Ces points de contrôle se

répartissent comme suit :

• 16 points affectés à la couche miocène ;

• 31 points affectés à la couche oligocène ;

• 69 points affectés à la couche éocène.

La distribution géographique des points d’observation, non homogène à l’échelle

considérée (Figure 7), ne permet pas une caractérisation précise de la piézométrie

des différentes nappes mais assure un contrôle sur les grandes figures

d’écoulement.

A date, aucun point de contrôle ne disposant d’un suivi temporel n’est disponible

pour la couche plio-quaternaire. La vérification des charges calculées ne peut se

faire ici que pour un ordre de grandeur à partir de données existantes souvent

anciennes.

Les chroniques piézométriques correspondent généralement à des mesures

manuelles, ou plus rarement à des enregistrements continus par capteur. Le pas

d’échantillonnage des mesures manuelles est discontinu ce qui rend difficile le

traitement de ces chroniques. De nombreux phénomènes de courte période et de

forte amplitude apparaissent fréquemment, correspondant le plus souvent à

l’influence des pompages. Ces variations masquent quelquefois l’évolution à plus

long terme des hauteurs piézométriques.

La comparaison directe avec les charges calculées par le modèle est de ce

fait délicate. En effet, les charges calculées par le modèle sont des charges

moyennes annuelles qui n’intègrent pas les phénomènes modificateurs de plus

courte période

..


23

Figure 7 : Localisation des piézomètres de contrôle


24

A ce titre, certaines évolutions transitoires observées sur des piézomètres, induites

par des prélèvements de courte durée, ne pourront être restituées puisque les

volumes prélevés correspondant dans le modèle sont moyennés sur la période de

contrainte temporelle. La comparaison directe avec les charges calculées par le

modèle est de ce fait délicate.

La charge calculée est affectée à la totalité de la maille, c’est à dire à une surface de

1 km2. Considérant un gradient hydraulique local de 2 ‰, valeur classique pour une

nappe captive, la variation de charge au sein d’une même maille peut atteindre 2,8

m. Cet écart est une fonction linéaire directe du gradient hydraulique local.

2.2. Régime permanent - Simulations Une simulation en régime permanent a été réalisée pour l’année 1996. Cette

première simulation avait pour buts :

a. de vérifier le comportement numérique du modèle ;

b. de valider le choix des conditions aux limites ;

c. de préciser les choix des paramètres hydrodynamiques ;

d. de procéder à un ajustement le cas échéant.

L’année 1996 a été retenue puisque nous disposions d’un jeu de données (H, Q, Pe)

suffisant pour procéder au calage. Il faut préciser qu’il n’existe pas de régime

permanent établi pour les nappes tertiaires, étant donné les fortes sollicitations par

pompage auxquelles elles sont soumises. Vouloir établir un régime rigoureusement

permanent reviendrait à simuler l’état initial du système, avant toute mise en

production. Cette simulation ne saurait aboutir à un ajustement satisfaisant des

caractéristiques des réservoirs, les données piézométriques anté-production étant

trop rares et imprécises. La comparaison d’un régime stabilisé (résultats du modèle)

et d’un régime non stationnaire (valeurs observées) est donc soumise à de

nombreuses limites. Toutefois, cette étape reste nécessaire pour une première

évaluation du comportement du modèle et de ses paramètres avant le passage au

régime transitoire.


25

Figure 8: Cartes piézométriques calculées en régime permanent (données de 1981)


26

Les états piézométriques calculés pour les aquifères plio-quaternaire, miocène,

oligocène, éocène et crétacé sont présentés en Figure 8. On note la bonne

concordance générale entre les figures d’écoulement restituées par le modèle et

celles obtenues à partir des mesures piézométriques. L’ordre de grandeur des

charges hydrauliques est également respecté.

Les charges restituées pour l’aquifère plio-quaternaire sont cohérentes avec les rares

mesures dont nous disposons pour cet aquifère, mais qui n’ont pas été intégrée

n’étant pas synchrones avec la période de simulation. Cette intégration de l’aquifère

plio-quaternaire comme couche de calcul est un élément important qui constitue une

entrée fondamentale du système. Cet aquifère complexe, tant par sa répartition

horizontale que par son organisation verticale, peut être simulé par une couche

équivalente, intégrant tous les niveaux aquifères et considérée comme libre. La

dimension des cellules n’est a priori pas à l’échelle de la représentation des

nombreux ruisseaux qui drainent cette nappe mais l’utilisation de « perméabilités

locales équivalentes », non transposables directement au terrain, permet d’obtenir

des résultats cohérents avec les ordres de grandeur observés. C’est le cas pour la

restitution du cours d’eau de la Leyre, qui draine de manière importante l’aquifère

plio-quaternaire.

Les charges hydrauliques de la nappe miocène sont bien restituées dans la partie

nord. La zone de mise en charge médocaine est comparable avec les valeurs

mesurées. La morphologie globale est respectée. Les ordres de grandeurs des

charges restituées dans la partie sud sont corrects, même s’il n’est pas possible de

restituer dans le détail les relations complexes qui existent entre l’aquifère miocène

et les cours d’eau situés au sud-est. Toutefois, l’axe de drainage principal induit par

le cours d’eau du Ciron apparaît de manière nette et correspond au drainage local de

l’aquifère du Miocène. C’est également le cas dans la région du Médoc, où le

drainage de l’aquifère miocène par la partie amont de la Jalle de Saint-Médard est

particulièrement bien marqué.

La piézométrie calculée de l’aquifère oligocène est comparable à la piézométrie

mesurée. Les formes dissymétriques visibles sur le Médoc sont assimilables à celles

interprétées à partir des mesures. Deux zones, correspondant à des soutirages


27

importants, apparaissent plus déprimées que dans la réalité. C’est le cas dans la

zone de Saint Laurent de Médoc du fait des nombreux forages agricoles implantés

vers Saint Médard en Jalles. Dans cette zone, la faible épaisseur de l’aquifère

associée à des paramètres transmissifs très élevés (importante fissuration ouverte

des calcaires) reste cependant difficile à restituer à l’échelle adoptée. Plus au sud,

les figures de drainage apparentes sur le tracé du cours d’eau de la Leyre sont

beaucoup plus amorties sur la morphologie piézométrique calculée.

La morphologie de la nappe éocène est la plus complexe, car fortement influencée

par les prélèvements. D’une manière générale, la piézométrie simulée est cohérente

avec celle mesurée. La zone du Médoc où les écoulements se font d’une part en

direction de l’océan Atlantique et d’autre part en direction de la Garonne et la

Gironde, est bien restituée. La zone la plus problématique correspond à la zone de la

« dépression bordelaise ». L’amplitude des rabattements provoqués par les

soutirages est globalement respectée, quoique légèrement sous-estimée. Le modelé

dissymétrique proposé à partir des mesures piézométriques est difficile à restituer, la

dépression se propageant vers l’est en direction de Libourne. Le rôle des structures

faillées à l’aplomb de la Garonne semble être prépondérant dans la morphologie du

cône de dépression, créant vraisemblablement un écran hydraulique et limitant la

propagation de l’onde de dépression. Une attention particulière sera apportée durant

le calage transitoire dans cette zone pour permettre de restituer cette caractéristique

du cône de rabattement.

Les charges hydrauliques calculées pour l’aquifère crétacé correspondent aux

valeurs mesurées. Ce résultat est principalement induit par l’application sur cette

couche de contraintes importantes par le biais de potentiels imposés. Si cette

solution peut être validée à l’examen des cartes piézométriques obtenues, un soin

particulier sera apporté à l’étude des flux rentrant et provenant de cette couche lors

du régime transitoire, afin de s’assurer que ce choix n’induit pas un biais trop

important dans le bilan global.

Le bilan du système toutes couches confondues sur le domaine a été effectué pour

vérifier la cohérence du modèle (Tableau 4).


28

ENTREES = 3693000 m3.j-1 SORTIES = 3693000 m3.j-1

Recharge = 3510000 m3.j-1 Recharge = 0 Potentiel imposé

= 183000 m3.j-1 Potentiel imposé = 1702000 m3.j-1

Pompage = 0 Pompage = 295000 m3.j-1 Drains = 0 Drains = 1696000 m3.j-1

ENTREES – SORTIES = 0 m3.j-1

Tableau 4 : Bilan des entrées et sorties en régime permanent influencé

Dans ce bilan, un poste important apparaît. Il s’agit du débit évacué à partir des

drains, censés simuler le réseau hydrographique drainant généralement l’aquifère

plio-quaternaire et plus localement l’aquifère miocène. Les drains sont également

utilisés pour simuler localement les sources de débordement de l’aquifère oligocène

qui participent également au flux de sortie. Globalement, 46 % des intrants sont

évacués de cette manière.

Les potentiels imposés constituent 5 % des entrées du système. Une part de

ces débits entrant est attribuable à la zone des lacs médocains. Considérant la

surface cumulée des lacs de Lacanau et de Hourtin (88 km2), le flux correspondant

reste négligeable, puisque de l’ordre de 2.10-3 m3.j-1.m-2.

Les cartes piézométriques calculées (Figure 8) illustrent la cohérence du modèle en

régime permanent, dans les limites d’application d’un régime stationnaire à un état

observé non stationnaire.

2.3. Régimes transitoires - Simulations

Plusieurs simulations en régime transitoire ont été réalisées pour affiner les

distributions des paramètres hydrodynamiques et tester la sensibilité du modèle. Ces

simulations doivent normalement permettre de procéder au calage des valeurs de

coefficient d’emmagasinement (S). Toutefois, étant donné le peu d’informations

disponibles, nous avons volontairement imposé une répartition de S homogène par

couche. Pour approcher au mieux la distribution de S, il aurait fallu procéder à un

calage sur un modèle transitoire plus court, avec un pas temporel mensuel, voire

hebdomadaire, pour appréhender de manière plus précise le comportement des


29

fonctions de stockage/destockage des aquifères. Les informations nécessaires pour

réaliser une approche de ce type n’étant pas disponibles (chroniques de

prélèvements), nous n’avons pas pu l’effectuer. Si toutefois, ces informations sont

disponibles, elles pourront être intégrées ultérieurement et ne pourront que préciser

les résultats présentés ci-après.

2.3.1. Chroniques piézométriques

Les simulations en régime transitoire ont été réalisées sur la période de 1981 à 1999.

Les chroniques piézométriques calculées sont cohérentes avec les chroniques

mesurées (Figure 9 à Figure 11).

Le peu de points d’observation renseignés concernant la nappe miocène permet

toutefois de caractériser le comportement de cette dernière et valider sa simulation.

Les chroniques piézométriques sont généralement stables dans le temps (Figure 9),

et les valeurs calculées sont très proches de celles mesurées. Seul le piézomètre

08268X0026, situé à la périphérie de l’anticlinal de Villagrains-Landiras présente des

phénomènes cycliques de faible amplitude (< 2 m) qui ne sont pas restitués par le

modèle. Ces variations correspondent aux fluctuations saisonnières qui ne sont pas

prises en compte étant donné le pas de temps retenu. Les chroniques issues des

piézomètres situés dans la zone médocaine (07545X0002 et 08026X0001) sont

correctement restituées, bien que la faible densité des points d’observation dans

cette zone ne permette pas de formuler des conclusions plus avancées.

Les chroniques piézométriques caractérisant la nappe oligocène sont plus variables

dans le temps (Figure 10). Les valeurs calculées sont très proches de celles

mesurées, ce qui est notamment bien illustré en bordure littorale vers Lacanau

(07538X0009) ou le Bassin d’Arcachon (08254X0011). L’influence des pompages

apparaît localement de manière nette sur certaines chroniques d’observation, comme

c’est le cas au piézomètre 08035X0337 situé dans la périphérie de Bordeaux où la

chronique calculée correspond à la tendance générale de l’évolution piézométrique.


30

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

janv-81 janv-83 déc-84 déc-86 déc-88 déc-90 déc-92 déc-94 déc-96 déc-98

Niv

eau

piéz

omét

rique

(m N

G)

07545X0002 (Calculé) 07545X0002 (Observé) 08026X0001 (Calculé) 08026X0001 (Observé)

08268X0026 (Calculé) 08268X0026 (Observé) 08758X0008 (Calculé) 08758X0008 (Observé)

Figure 9 : Chroniques piézométriques mesurées et calculées – Aquifère miocène

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50


Niv

eau

piéz

omét

rique

(m N

G)

07538X0009 (Calculé) 07538X0009 (Observé) 08035X0337 (Calculé) 08035X0337 (Observé) 08254X0011 (Calculé)

08254X0011 (Observé) 08267X0036 (Calculé) 08267X0036 (Observé) 08275X0067 (Calculé) 08275X0067 (Observé)

Figure 10 : Chroniques piézométriques mesurées et calculées – Aquifère oligocène


31

-35

-25

-15

-5

5

15

25

35


Niv

eau

piéz

omét

rique

(m N

G)

07298X0017 (Calculé) 07298X0017 (Observé) 07306X0066 (Calculé) 07306X0066 (Observé) 07788X0001 (Calculé)

07788X0001 (Observé) 08035X0425 (Calculé) 08035X0425 (Observé) 08272X0391 (Calculé) 08272X0391 (Observé)

Figure 11 : Chroniques piézométriques mesurées et calculées – Aquifère éocène

L’évolution temporelle des charges calculées pour la nappe éocène est en accord

avec les observations (Figure 11). On remarque que les chroniques mesurées aux

piézomètres situés au nord du Médoc sont bien restituées (07888X0001,

07306X0066 et 07298X0017), dans une zone où la charge doit être connue avec

précision pour tenir compte d’éventuels échanges entre l’estuaire et l’aquifère. Dans

la zone bordelaise, où la nappe éocène est très sollicitée, les chroniques présentent

des variations de grande amplitude, correspondant aux effets d’interférences entre

les différents ouvrages exploités. Les chroniques calculées ne restituent évidemment

pas ces variations de courte période mais la tendance globale simulée est cohérente

avec celle tirée de l’observation.

La sensibilité du modèle et la qualité du calage ont été estimées à partir d’une

fonction critère F élaborée à partir de tous les points d’observation et définie par :

( ) ( ) ( )2

1max min

1 1.N

calc obs iiobs obs

F H HH H N =

= −− ∑ [2]

avec Hobs hauteur piézométrique observée ;

Hcalc hauteur piézométrique calculée ;

N nombre d’observations.


32

Pour la simulation transitoire, les valeurs de F sont comprises entre 4 et 6 % selon

les périodes considérées. La précision globale de la simulation est comprise entre 3

et 5 mètres par rapport aux valeurs observées. Compte tenu de l’extension globale

du modèle et du maillage retenu, le calage du modèle est acceptable.

La qualité globale du modèle est toutefois sensiblement pénalisée par certaines

chroniques qui présentent des écarts importants. Ces écarts sont généralement

explicables et imputables aux simplifications utilisées pour la mise en place du

modèle. Parmi celles-ci, on trouve notamment la prise en compte d’une seule couche

de calcul pour l’Eocène, alors que celui-ci est constitué par plusieurs niveaux

aquifères. Cette approche est aisément justifiable compte tenu de l’extension

géographique du modèle. Localement, cette hypothèse simplificatrice peut introduire

des biais importants dans la restitution des chroniques piézométriques. D’autres

chroniques présentent des comportements non restitués par le modèle. C’est le cas

au piézomètre 08523X0092 captant l’aquifère éocène, situé dans le quart sud-est du

modèle, à la confluence de la Garonne et du Dropt (Figure 12). La première partie de

la chronique est correctement restituée alors que les charges calculées accusent une

remontée à partir de 1990 non comparable avec les charges issues de l’observation.

Ces écarts montrent à l’évidence un déficit de connaissances tant sur l’architecture

géologique locale des aquifères que sur les volumes prélevés dans ces zones.

02468

101214161820


Niv

eau

piéz

omét

rique

(m N

G)

08523X0092 (Calculé) 08523X0092 (Observé)

Figure 12 : Chronique piézométrique simulée au piézomètre 08523X0092 (Eocène)


33

Il est difficile de recaler ici le modèle si l’on veut tenir compte de ce degré de liberté.

Néanmoins, ces zones sont suffisamment éloignées de l’aire d’intérêt pour ne pas

poser de problème quant à l’utilisation du modèle mais nécessitent un examen plus

approfondi dans l’optique d’une utilisation pour une gestion locale.

2.3.2. Comportement aux exutoires oligocènes L’étude de certaines entités particulières du modèle permet également de vérifier la

cohérence globale du système. A ce titre, un intérêt particulier est porté au

fonctionnement des sources de Thil-Gamarde et de Budos, qui constituent un

exutoire important de l’aquifère oligocène et constituent une ressource importante,

puisque captées pour l’alimentation en eau potable de la Communauté Urbaine de

Bordeaux.

Figure 13 : Débits simulés aux sources oligocènes


34

Les chroniques de débit simulées pour les sources de Thil-Gamarde et Budos sont

cohérentes avec les valeurs mesurées (Figure 13). Les débits observés sont estimés

à partir des volumes annuels extraits et englobent les fluctuations saisonnières. Le

comportement des deux émergences diffère. La source de Thil-Gamarde présente

une fluctuation pluriannuelle alors que la source de Budos affiche un débit

relativement stable sur la période 1981-1997. C’est également le cas des débits

calculés. La source de Thil-Gamarde semble réagir à la pluviométrie de manière plus

marquée que celle de Budos. La part de l’écoulement réglée par les phénomènes

locaux d’alimentation directe et les variations de débits induites par des effets de

surcharge hydraulique sont dans ce cas plus importantes. Le site reste très

dépendant des fluctuations saisonnières et pluri-annuelles et également des années

sèches exceptionnelles. Ce propos doit toutefois être modéré à l’examen des

conditions d’exploitation de la source. Cette dernière est aménagée par une galerie

drainante et des forages permettent localement d’augmenter les volumes prélevés,

diminuant d’autant la part de l’écoulement en régime non influencé. Si pour la

modélisation il est possible de prendre en compte de tels aménagements notamment

par le biais des « perméabilités apparentes » utilisées pour simuler le débordement,

les phénomènes de sollicitation sont difficilement restituables à l’échelle envisagée.

En ce qui concerne la source de Budos, les fluctuations inter-annuelles sont moins

marquées et le débit observé est vraisemblablement proche de celui induit par le

régime naturel de la nappe oligocène, soutenue par les aquifères sous-jacents qui

assurent un débit de base important. D’une manière générale, une quantification

précise des phénomènes hydrogéologiques à la périphérie de ces sources

nécessiteraient une modélisation fine qu’il n’est pas possible d’effectuer à l’échelle

d’un maillage régional. 2.3.3. Fonctionnement quantitatif du système

Le modèle permet d’établir le bilan des flux de chacun des aquifères. Celui-ci prend

en compte les circulations de flux avec l’extérieur du système aquifère (océan,

réseau hydrographique, lacs, alimentation) et les échanges par drainance entre les

différentes couches qui le composent. Le bilan a été calculé à partir de la simulation

du régime hydrodynamique transitoire 1981 à 1999. L’organigramme de la Figure 14

présente le bilan inter-annuel calculé sur cette période pour les entités perméables et


35

les éléments extérieurs au système. Les épontes ne sont pas représentées

explicitement dans ce schéma. Les volumes annuels sont exprimés en millions de

mètres cubes. Il faut rappeler que la représentativité des flux calculés est étroitement

liée aux valeurs de perméabilités introduites dans le modèle et aux valeurs de

charges calculées par ce dernier.

L’examen du bilan met en avant plusieurs caractéristiques du système. Tout d’abord,

si les flux transitant à travers l’aquifère plio-quaternaire sont très importants,

seulement 13 % de cette recharge parvient aux nappes sous-jacentes et participe

effectivement à l’alimentation per descensum de ces aquifères. Une grande partie du

flux entrant dans la nappe plio-quaternaire est drainée par le réseau hydrographique.

D’une manière générale, notons la prépondérance des échanges verticaux entre les

différents aquifères tertiaires et l’importance des flux descendants, participant de

manière indirecte à l’alimentation induite de ces nappes. Ainsi l’alimentation directe

de l’aquifère miocène ne représente que 12 % du flux entrant dans la couche. En ce

qui concerne l’aquifère oligocène, l’alimentation est assurée à plus de 90 % par les

aquifères sus-jacents, l’alimentation directe représentant environ 8 % et restant très

localisée. Pour l’aquifère éocène, la part du flux entrant provenant de l’alimentation

directe est de l’ordre de 35 %, soulignant l’importance des affleurements situés sur la

bordure orientale de l’aquifère.

En ce qui concernent les aquifères tertiaires, on note la part importante des

soutirages dans les flux sortants. A l’exception de l’aquifère miocène, dont les

volumes prélevés sont très certainement sous-estimés, les flux soutirés par pompage

sont égaux ou supérieurs aux flux sortant par écoulement naturel. Les pompages

effectués aux sources oligocènes (Thil-Gamarde et Budos) ne sont pas

comptabilisés dans les prélèvements mais comme flux de débordement.

Dans ce bilan, les flux entrant et sortant de l’aquifère crétacé sont très faibles et

équilibrés. Ces faibles valeurs apparentes sont notamment induites par les conditions

imposées pour modéliser cette couche. Les très faibles valeurs de perméabilité

verticale utilisées pour simuler l’éponte éocène/crétacé limitent les échanges entre

ces deux couches. L’utilisation des potentiels imposés pour restituer la piézométrie

ne biaise pas le reste du bilan et le mode de calcul de cette couche peut ainsi être


36

validé. Il est évident que les relations entre la couche aquifère du Crétacé et de

l’Eocène sont plus complexes, toutefois la solution retenue pour représenter le

multicouche nord-aquitain n’introduit pas d’écart trop important dans les résultats de

simulation.

RECHARGE

Aquifèreplio-quaternaire

Aquifère miocène

Aquifère oligocène

Aquifère éocène

Aquifère crétacé

PrélèvementsRéseauhydrographique

DEBORDEMENT

Sources

516

6

15

11

12

11

30

64

111

5

1

10

118

49

12

27

9

21

1100

Volume entrant annuel (en millions de m )3

Volume sortant annuel (en millions de m )3

570

LacsMédocains

60

26

Figure 14 : Bilan inter-annuel du système calculé sur la période 1981-1999


37

3. MISE A JOUR GEOLOGIQUE ET HYDROGEOLOGIQUE Compte tenu des relations d’interdépendance mises en évidence à l’échelle

régionale entre les différentes aquifères tertiaires, une estimation précise de l’impact

du champ captant doit également intégrer les échanges verticaux pouvant être mis

en jeu. Le modèle numérique distribué (MODFLOW), particulièrement adapté à ce

type d’échelle, a été retenu pour d’étudier l’influence de ces nouveaux prélèvements

sur la totalité du système aquifère nord-médocain.

3.1. Les nouvelles données géologiques et hydrogéologiques Trois sites de reconnaissance ont été retenus dans la zone centrale pour affiner le

modèle géologique. Ces sites sont situés de part et d’autre du raccordement

présumé entre la faille de Bordeaux et la faille de Carcans-Listrac (Figure 15). Au

total, 10 forages de reconnaissance ont été réalisés entre 2001 et 2003 (Tableau 5).

Les travaux de forage ont été réalisés selon la méthode rotary. Les coupes

géologiques relevées à partir des déblais de forage sur site au fur et à mesure de la

reconnaissance ont fait l’objet d’une détermination plus poussée en laboratoire. Les

affectations stratigraphiques ont été réalisées en collaboration avec le service

régional d’Aquitaine du BRGM. A chaque sondage de reconnaissance, un jeu de

diagraphies différées a été réalisé.

Six profils de reconnaissance par sismique réflexion haute résolution ont été

effectués par la société d’étude GEOLITHE, sous la maîtrise d’ouvrage du

SMEGREG. Le linéaire total prospecté est de 21 kilomètres, réparti comme suit :

deux profils de 2500 m, deux profils de 3000 m et deux profils de 5000 m (Figure 15).

La « sismique haute résolution » a été réalisée à l’aide d’un vibreur Mertz 22 couplé

à un dispositif Geometrics de type Smartseis R48 pour l’acquisition. Les fréquences

de vibrations étaient comprises entre 30 Hz et 150 Hz. Les forages de

reconnaissance ont permis de caler la succession lithologique de chaque profil, avec

les mesures de vitesse accoustique effectuées par diagraphies sur certains des

ouvrages. La migration temps-profondeur a été réalisée à partir de ces données et la

résolution finale des profils migrés est comprise entre 5 et 10 mètres.


38

Site Désignation du forage Profondeur atteinte

(m) Site 1 MP1 135 Site 1 MP2 40 Site 1 SP4 168 Site 2 BP1 107 Site 3 SP0 10 Site 3 SP1 305 Site 3 SP2 214 Site 3 SP3 134 Site 3 SF1 230 Site 3 SF2 230

Tableau 5 : Forages de reconnaissance réalisés

Figure 15 : Implantation des forages de reconnaissance et profils de sismique réflexion haute résolution


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L’étude combinée des profils sismiques et des sondages de reconnaissance a

permis d’affiner la géométrie de l’aquifère oligocène et de ses épontes associées.

Les études de synthèse précédentes (HOSTEINS, 1982) ne laissaient pas présager

de structuration notable de l’aquifère oligocène dans la partie médocaine. Toutefois,

certains travaux avaient pourtant mis en évidence sur le littoral des variations

d’épaisseur et de faciès dans les séries miocènes, interprétées alors comme liées au

jeu de failles normales orientées localement est-ouest5. Le prolongement de ces

accidents dans la zone d’étude n’avait pu être précisé, ni d’ailleurs leur influence

potentielle sur la géométrie des aquifères tertiaires en général ou l’aquifère oligocène

en particulier.Notre étude n’a pas mis en évidence d’accident tectonique cassant

majeur sur la zone d’étude. Les géométries observées dans les séries oligo-

miocènes attestent cependant d’une flexure tectonique non négligeable. Le jeu

tectonique cassant qui affecte les séries oligocènes et même miocènes le long de la

faille de Bordeaux, au voisinage de l’agglomération, se transforme vers le NO en une

simple flexuration synsédimentaire oligo-miocène qui ne provoque pas de véritables

discontinuités dans les séries tertiaires. Cette structure correspond probablement à

un amortissement du jeu de la faille normale en profondeur mise en évidence dans

les formations mésozoïques sur le littoral, à la faveur des forages pétroliers de

Carcans. La déformation est probablement ante-miocène comme l’atteste l’étude de

ces dépôts. Les formations miocènes reposent en « on-lap » sur la paléotopographie

oligocène engendrée par cette déformation.

L’ensemble de ces informations a permis d’établir un schéma général pour la

géométrie des aquifères dans cette zone (Figure 16). Deux compartiments sont

distingués :

- un compartiment sud, où l’aquifère oligocène est particulièrement bien développé, présentant une épaisseur maximale de l’ordre de 80 mètres.

L’éponte inférieure oligo-éocène est ici bien développée (30 mètres) et

présente une topographie déformée. L’éponte supérieure oligo-miocène,

plus homogène, présente une structuration moindre du fait de

l’amortissement progressif de la déformation. Sa puissance maximale est

proche de 20 mètres. Cette zone correspond à la partie septentrionale de

la flexure, où les dépôts présentent leur épaisseur maximale.

5 CARALP et VIGNEAUX, 1960 : Aspect structural du Médoc Atlantique, C.R.Somm.S.G.F., (6), pp. 796 - 800.


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Figure 16 : Synthèse géologique de l’aquifère oligocène médocain6

I. Isopaques de l’aquifère oligocène. II-1 courbe isopaque. I-2 lacune de dépôt aquifère oligocène. I-3 faille identifiée en profondeur. II. Coupe synthétique à travers les formations tertiaires. II.1. zone de karstification de l’aquifère oligocène. II-2. surface d’érosion oligocène. II-3. surface d’érosion anté-pliocène. II-4. faille. III. Log géologique synthétique et milieux de dépôts associés. III-1. sable. III-2. sables et graviers. III-3. calcaire gréseux. III-4. calcaire. III-5. argile-marne. III-6. calcaire lacustre. III-7. alternance sable-calcaire gréseux.

6 LARROQUE et DUPUY, 2004 : Apports de la sismique réflexion haute résolution à l’identification des structures profondes des formations tertiaires en Médoc (Gironde, France) : implications hydrogéologiques, C.R. Geoscience, (336), 12, pp. 1111–1120.


41

- un compartiment Nord, caractérisé par une formation oligocène peu épaisse (20 – 30 m), vraisemblablement en liaison hydraulique directe

avec les formations aquifères miocènes et interconnectée avec les

formations plio-quaternaires sus-jacentes via l’aquifère relais du

Miocène. Les calcaires oligocènes présentent dans cette zone une

fissuration ouverte importante, voire un début de karstification. Ces

phénomènes de dissolution des calcaires sont connus par ailleurs,

notamment à l’est de la Garonne 7et plus localement au nord de la zone

d’étude 8où la présence d’un horizon karstique d’altération y est mise en

évidence au sein de formations oligocènes en situation phréatique.

D’une manière générale, ces observations mettent en évidence la capacité des

calcaires oligocènes à une dissolution préférentielle selon les variations locales de

lithologie d’une part, et d’autre part des fissurations préexistantes d’origine

tectonique. Leur implication hydrogéologique est dès lors primordiale puisque les

propriétés hydrauliques de ces formations vont être grandement dépendantes de ces

phénomènes. De plus, dans le cas d’une continuité hydraulique même locale comme

observée dans le compartiment nord et sous réserve d’une fissuration importante,

l’aquifère miocène pourrait offrir un soutien important en cas de prélèvements

intenses dans l’aquifère oligocène. En contrepartie, la pérennité de la qualité de cette

ressource vis à vis de pollution potentielle provenant de la surface, ou d’une

dégradation à plus long terme par mélange avec des eaux de surface, reste

problématique.

L’impact de la structure de Castelnau-Médoc sur les formations tertiaires a pu être

précisé. Cette dernière semble avoir limité l’ampleur de la transgression oligocène

vers l’est et induit localement une réduction notable de l’épaisseur des dépôts. Ces

terrains ont par la suite vraisemblablement été enlevés sur les parties les plus hautes

par une érosion ante-miocène. A la périphérie du dôme de Castelnau-Médoc, les

terrains oligocènes ont subi une karstification importante, comme l’atteste la

présence d’une fissuration importante au forage SP4. Sur le centre de la structure, la

7 KLINGEBIEL et al., 1993: Facteurs faciologiques et tectoniques contrôlant la karstification sur la marge nord aquitaine (France) : exemple de l'Oligocène Nord aquitain, C.R.Acad.Sc. Paris Série II, (317), pp. 523–529 8 COURREGES, 1997 : Le crypto-karst de la péninsule du Médoc - Crypto-altération, dissolution, karst sous-marin et évolution quaternaire, Quaternaire, (8), 2-3, pp. 289 - 304.


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présence d’argiles de décalcification au forage de reconnaissance MP1 accrédite

l’hypothèse d’une altération importante des dépôts oligocènes par action

météoritique, jusqu’à leur érosion totale. Les terrains miocènes reposent en

discordance sur cette paléotopographie. Ces derniers présentent également un

degré de fissuration élevé, comme observé au forage MP2.

Plusieurs incertitudes sur la géométrie des formations sédimentaires tertiaires ont pu

être levées sur une zone jusqu’alors déficitaire en information. Les investigations

géologiques ont permis dans un premier temps de souligner la compléxité de

l’organisation de ces dépôts et leur disparité spatiale. Cette variabilité, induite par ces

changements sédimentaires et les diverses influences tectoniques doit également

être précisée vis-à-vis des caractéristiques hydrodynamiques des différentes

formations. Seule cette phase complémentaire permettra alors de proposer des

hypothèses fiables quant aux différents schémas hydrogéologiques envisageables

dans cette région.

Suite à la création des forages de reconnaissance, des essais de pompages ont été

effectués afin de procéder à la détermination des paramètres hydrodynamiques. Les

forages suivants ont été testés : SP1, SP2, SP3, SF1, SF2 pour le site III et MP1

pour le site II. Les principales caractéristiques de mise en œuvre des essais sont

données ci-après (Tableau 6).

Code Date de début Date de FinDurée de pompage

(min) Durée de

remontée (min) Débit de pompage

(m3/h) MP1 13/06/01 18/06/01 3027 4205 129,3 SP1 30/09/02 02/10/02 1500 1246 5,1 SP2 12/11/02 14/11/02 2785 392 73,4 SP3 06/11/02 08/11/02 1480 1385 8,9 SF1 23/09/03 28/09/03 4311 2574 140 SF2 21/10/03 27/10/03 4320 3600 150

Tableau 6 : Caractéristiques des essais de pompage

Une première détermination des paramètres hydrodynamiques des aquifères a été

initiée en considérant les différents réservoirs comme homogènes, isotropes et

d’extension infinie. Les forages ont été assimilés à des puits parfaits. Seuls les

paramètres quantifiant l’effet de puits et l’effet pariétal ont été pris en compte. Pour


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chaque essai de débit, les paramètres ont été calculés en fonction de l’adéquation de

la courbe de dérivée de pression mesurée avec la courbe de dérivée de pression

simulée. Les courbes de pressions simulées sont par la suite comparées avec les

courbes de pression enregistrées lors des essais.

Une série de simulations a ainsi été réalisée afin de préciser le type de modèle de

réservoir retenu, en les contraignant avec les observations géologiques réalisées.

Les courbes de dérivée de pression obtenues sont présentées en Figure 17, la

restitution des pressions correspondantes en Figure 18. Le type de modèle retenu

pour chaque forage ainsi que les paramètres hydrodynamiques et géométriques

correspondants sont donnés dans le Tableau 7.

- Au puits SP1, il existe une bonne concordance entre les valeurs de pression

mesurées et calculées. Le réservoir a été considéré comme homogène et

d’extension infinie devant les durées de pompage. Notons tout de même une

valeur d’effet pariétal élevée (Tableau 7). Cette valeur traduit vraisemblablement

une perte de charge induite par le fluide de forage dans le rayon d’invasion.

Cette valeur majorante n’est donc pas uniquement liée à la modification physique

des propriétés du matériau aquifère créée par le forage, mais probablement au

colmatage local induit par la bentonite.

- Au puits MP1, il a été possible d’affiner le calage selon l’hypothèse d’un réservoir

homogène semi-infini. Si le gain n’est pas directement visible sur la courbe de

dérivée de la pression du fait d’un bruit important, la chronique de pression

simulée s’ajuste parfaitement avec les mesures. L’hypothèse structurale semble

ici en accord avec les données de la géologie. A la distance calculée de 955 m

pour une limite étanche correspondrait la série de failles normales observées à

l’est, et qui décale successivement l’aquifère éocène. La valeur calculée de

2,2.10-4 m.s-1 pour la perméabilité est supérieure à celle estimée par simple

interpolation des données existantes dans cette zone9.

9 MOUSSIE, 1972 : Le système aquifère de l'Eocène moyen et supérieur du bassin nord-aquitain. Influence du cadre géologique sur les modalités de circulation, Thèse Bordeaux 3, 73 p.


44

Figure 17: Evolution des courbes dérivées mesurées et simulées – Modèles variables


45

Figure 18: Evolution des pressions mesurées et simulées – Modèles variables


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Code Capacité de

puits C (m3.Pa-1)

Effet pariétal sk

(-) Type de réservoir

Conductivité hydraulique

K (m.s-1) Type de limite

Distance de la

limite (m)

SP1 6,5.10-7 60 Homogène 2,1.10-5 Infini /

SP2 1,4.10-6 1.5 Composite 3,5.10-5 Variation

latérale de faciès

385

SP3 9,7.10-7 16 Double porosité 1.10-5 Infini /

SF1 1,2.10-6 -2 Composite 2,5.10-5 Variation

latérale de faciès

450

SF2 1,4.10-6 -2.4 Composite 3.10-5 Vari

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Modélisation hydrodynamique des nappes tertiaires du Médoc ... · Ce rapport final présente l’ensemble de ces travaux. Modélisation hydrodynamique des nappes tertiaires du Médoc